Radiația cu microunde ( microunde ) este o regiune a spectrului radiațiilor electromagnetice cu lungimi de undă de la 1 m până la 1 mm, corespunzătoare frecvențelor de la 300 MHz și respectiv până la 300 GHz [1] [2] [3] [4] [5 ] ] . Surse diferite folosesc intervale de frecvență diferite pentru microunde; definiția largă de mai sus include benzile UHF (undă decimetrică), microunde (undă centimetrică) și benzile EHF (undă milimetrică). O definiție mai comună în inginerie radio este intervalul de la 1 la 100 GHz (lungimi de undă de la 0,3 m la 3 mm). Frecvențele de microunde sunt adesea menționate prin termenii de bandă radar IEEE S , C , X , Ku , K sau K a bandă sau denumiri similare NATO sau UE .
Prefixul micro- din expresia radiație cu microunde nu este destinat să determine lungimea de undă în domeniul micrometrului . Mai degrabă, indică faptul că microundele sunt „mici” (cu lungimi de undă mai scurte) în comparație cu undele radio , care au fost folosite înainte de răspândirea tehnologiei cu microunde. Granițele dintre infraroșu îndepărtat, radiația teraherți , microunde și undele radio decimetrice sunt destul de arbitrare și sunt folosite în moduri diferite în diferite domenii ale științei și tehnologiei.
Microundele se propagă în linia vizuală; Spre deosebire de undele radio de joasă frecvență, ele nu difractează în jurul dealurilor, urmăresc suprafața pământului ca undele de suprafață și nu se reflectă în ionosferă , astfel încât legăturile terestre cu microunde sunt limitate la orizontul vizual la aproximativ 64 km. La capătul superior al intervalului, ele sunt absorbite de gazele din atmosferă, limitând distanța practică de comunicare la aproximativ un kilometru. Microundele sunt utilizate pe scară largă în tehnologia modernă, de exemplu, legături punct la punct , rețele fără fir , rețele de relee radio cu microunde , radar , comunicații prin satelit și spațiu , diatermia medicală și tratamentul cancerului, teledetecția Pământului , radioastronomie , acceleratoare de particule , spectroscopie , industrială încălzire, sisteme de evitare a coliziunilor , deschizători de uși de garaj și sisteme de intrare fără cheie și gătit cu microunde .
Radiația cu microunde de mare intensitate este utilizată pentru încălzirea fără contact a corpurilor (în cuptoarele cu microunde de uz casnic - pentru încălzirea produselor, în cele industriale - pentru tratarea termică a metalelor, în chirurgie - pentru ablația prin radiofrecvență a venelor [6] ; elementul principal aici este magnetronul ), precum și pentru radar .
Microundele ocupă o regiune din spectrul electromagnetic cu o frecvență peste undele radio convenționale și sub lumina infraroșie :
| spectru electromagnetic | ||||
|---|---|---|---|---|
| Nume | Lungime de undă | Frecvența Hz) | Energia fotonului ( eV ) | |
| raze gamma | <0,02 nm | > 15 E Hz | > 62,1 keV | |
| raze X | 0,01 nm - 10 nm | 30 Hz - 30 P Hz | 124 keV - 124 eV | |
| UV | 10 nm - 400 nm | 30 PHZ - 750 THz | 124 eV - 3 eV | |
| lumina vizibila | 390 nm - 750 nm | 770 THz - 400 THz | 3,2 eV - 1,7 eV | |
| Infraroşu | 750 nm - 1 mm | 400 THz - 300 GHz | 1,7 eV - 1,24 meV | |
| Cuptor cu microunde | 1 mm - 1 m | 300 GHz - 300 MHz | 1,24 meV - 1,24 microkeV | |
| Radio | 1 m - 100 km | 300 MHz - 3 kHz | 1,24 µeV - 12,4 feV | |
În descrierile spectrului electromagnetic, unele surse clasifică microundele drept unde radio, un subset al benzii de unde radio; în timp ce alții clasifică microundele și undele radio ca tipuri separate de radiații. Aceasta este o distincție comună.
Sub-benzile de microunde în diferite sisteme de notație sunt diferite; utilizate în comunicațiile prin satelit sunt prezentate în tabel.
| Benzi de frecventa | ||
| Nume | Gama de frecvență , G Hz | |
|---|---|---|
| Numele intervalului | Gama de frecvențe radar | Gama de frecvență în comunicațiile prin satelit |
| L | 1,0—2,0 | |
| S | 2,0—4,0 | |
| C | 4,0—8,0 | 3,4—8,0 |
| X | 8,0—12,0 | 7,0—10,7 |
| Ku | 12,0—18,0 | 10,7—18,0 |
| K | 18,0—26,5 | 18,3-20,2; 27,5—31,5 |
| Ka | 26,5—40,0 | |
Microundele se propagă numai în linia de vedere; spre deosebire de undele radio de joasă frecvență, acestea nu se propagă ca unde de suprafață care urmează conturul Pământului și nu sunt reflectate de ionosferă (undele cerului) [7] . Deși la capătul inferior al intervalului pot trece prin pereții unei clădiri menținând în același timp o putere suficientă a semnalului pentru recepție, de obicei necesită spațiu liber pentru câmpul apropiat de recepție. În consecință, canalele de comunicare cu microunde de pe suprafața Pământului sunt limitate de un orizont vizual de aproximativ 48-64 km. Microundele sunt absorbite de umiditatea din atmosferă, iar atenuarea crește odată cu frecvența, devenind un factor semnificativ ( decolorarea ploii ) la capătul superior al intervalului. Începând de la aproximativ 40 GHz, gazele atmosferice încep și ele să absoarbă microundele, așa că peste această frecvență, transmisia cu microunde este limitată la câțiva kilometri. Structura spectrală a benzii determină vârfuri de absorbție la anumite frecvențe (vezi graficul din dreapta). La frecvențe de peste 100 GHz, absorbția radiației electromagnetice de către atmosfera Pământului este atât de mare încât este efectiv opac , până când atmosfera devine din nou transparentă în așa-numitul interval de frecvență a ferestrei infraroșii și optice .
Într-un fascicul de microunde îndreptat într-un unghi spre cer, o cantitate mică de energie va fi împrăștiată aleatoriu pe măsură ce fasciculul trece prin troposferă [7] . Un receptor sensibil dincolo de orizont cu o antenă cu câștig mare focalizată pe această regiune a troposferei poate capta semnalul. Această tehnică a fost utilizată la frecvențe cuprinse între 0,45 și 5 GHz în sistemele de comunicații cu troposcatter (troposcatter) pentru comunicații peste orizont la distanțe de până la 300 km.
Lungimile de undă scurte ale radiației cu microunde permit antenelor omnidirecționale pentru dispozitive portabile să fie foarte mici, între 1 și 20 cm lungime, astfel încât frecvențele microundelor sunt utilizate pe scară largă pentru dispozitive fără fir , cum ar fi telefoanele mobile , telefoanele fără fir și accesul la zona locală wireless. rețele (Wi-Fi) pentru laptopuri și căști Bluetooth . Antenele utilizate includ antene scurte cu bici, antene de rață de cauciuc , antene Hertz , antene cu patch și din ce în ce mai multe antene cu circuit imprimat inversat F (PIFA) utilizate în telefoanele mobile.
Lungimea lor de undă scurtă face, de asemenea, posibilă crearea de fascicule înguste de radiație cu microunde cu antene mici convenabile cu câștig mare de la jumătate de metru până la 5 metri în diametru. Prin urmare, microundele sunt folosite pentru legăturile de comunicație punct la punct și pentru radar . Avantajul fasciculelor direcționale înguste este că nu interferează cu echipamentele din apropiere care folosesc aceeași frecvență, permițând reutilizarea frecvenței de către transmițătoarele vecine. Antenele parabolice (antene) sunt cele mai utilizate antene direcționale la frecvențele de microunde, dar sunt folosite și antene cu corn , antene cu slot și antene cu lentile dielectrice . Antenele plate cu microbandă sunt din ce în ce mai utilizate în aplicații de consum. Un alt tip de antenă direcțională utilizată la frecvențele de microunde este antena phased array , care este o matrice de antene controlată de computer care creează un fascicul care poate fi direcționat într-un mod controlat în diferite direcții.
Liniile de transmisie care sunt utilizate pentru a transporta unde radio de joasă frecvență către și dinspre antene, cum ar fi cablurile coaxiale și liniile paralele, au pierderi excesive de putere la frecvențele de microunde, așa că atunci când este necesară o atenuare scăzută, microundele sunt transmise prin conducte metalice numite ghiduri de undă. Datorită costurilor ridicate și cerințelor de întreținere ale secțiunilor ghidului de undă din multe antene cu microunde, treapta de ieșire a transmițătorului sau intrarea RF a receptorului este situată pe antenă.
Termenul de microunde are și un sens mai tehnic în electromagnetism și teoria circuitelor [8] [9] . Aparatele și metodele pot fi descrise calitativ ca „microunde” atunci când lungimile de undă ale semnalelor sunt aproximativ aceleași cu dimensiunile circuitului, astfel încât teoria circuitului cu elemente concentrate nu este aplicabilă și, în schimb, modelele cu elemente distribuite și teoria liniilor de transmisie sunt mai util pentru proiectare și analiză.
În consecință, circuitele practice cu microunde se îndepărtează de obicei de rezistențe , condensatoare și inductori discrete , utilizate cu unde radio de joasă frecvență . Liniile de transmisie deschise și coaxiale utilizate la frecvențe inferioare sunt înlocuite cu ghiduri de undă și linii de bandă, iar circuitele cu elemente aglomerate sunt înlocuite cu rezonatoare cu cavitate sau stub-uri rezonante [8] . La rândul său, la frecvențe și mai mari, când lungimea de undă a undelor electromagnetice devine mică în comparație cu dimensiunea structurilor utilizate pentru procesarea lor, metodele cu microunde devin inadecvate și sunt utilizate metode optice .
Sursele de microunde de mare putere folosesc tuburi de vid speciale pentru a genera microunde. Aceste dispozitive funcționează pe principii diferite de tuburile cu vid de joasă frecvență, folosind mișcarea balistică a electronilor într-un vid sub control câmpuri electrice sau magnetice și includ magnetronul (utilizat în cuptoarele cu microunde ), klystronul , tubul cu undă de călătorie (TWT) , și girotronul . Aceste dispozitive funcționează în modul de modulare a densității , nu în modul de modulare a curentului . Aceasta înseamnă că aceștia funcționează pe baza unor mănunchiuri de electroni care zboară prin ele balistic (fără ciocniri), mai degrabă decât folosind un flux continuu de electroni.
Sursele de microunde de putere mică folosesc dispozitive cu stare solidă, cum ar fi FET -uri (cel puțin la frecvențe mai mici), diode tunel , diode Gunn și diode de tranzit de avalanșă [10] . Sursele de energie redusă sunt disponibile în formate pentru bancă, rack, plug-in și la nivel de card. Un maser este un dispozitiv cu stare solidă care amplifică microundele folosind principii similare cu cele ale unui laser , care amplifică undele luminoase de frecvență mai mare.
Toate obiectele calde emit radiații cu microunde de corp negru de intensitate scăzută în funcție de temperatura lor , astfel încât în meteorologie și teledetecție , radiometrele cu microunde sunt folosite pentru a măsura temperatura obiectelor sau a terenului [11] . Soarele [12] și alte surse radio astronomice, cum ar fi Cassiopeia A , emit radiații cu microunde care transportă informații despre compoziția lor, care sunt studiate de radioastronomii folosind receptori numiti radiotelescoape . Radiația cosmică de fond cu microunde (CMBR), de exemplu, este zgomotul slab de microunde care umple spațiul gol, care este principala sursă de informații pentru teoria cosmologică Big Bang a originii universului .
Tehnologia cu microunde este utilizată pe scară largă pentru comunicații punct la punct (adică nu difuzează). Microundele sunt deosebit de potrivite pentru această utilizare, deoarece sunt mai ușor focalizate în fascicule mai înguste decât undele radio, permițând reutilizarea frecvenței ; frecvențele lor comparativ mai mari permit o lățime de bandă largă și rate mari de date , iar dimensiunile antenei sunt mai mici decât la frecvențe mai mici, deoarece dimensiunea antenei este invers proporțională cu frecvența transmisă. Microundele sunt folosite pentru comunicațiile pe nave spațiale, iar cele mai multe dintre comunicațiile de date, televiziune și telefon din lume sunt transmise pe distanțe lungi prin microunde între stațiile terestre și sateliții de comunicații . Microundele sunt, de asemenea, folosite în cuptoarele cu microunde și în tehnologia radar .
Înainte de apariția transmisiei prin fibră optică , cele mai multe apeluri telefonice pe distanțe lungi erau efectuate prin rețele de releu radio cu microunde operate de operatori precum AT&T Long Lines. Începând de la începutul anilor 1950, multiplexarea prin diviziune a frecvenței a fost folosită pentru a transmite până la 5.400 de canale telefonice pe fiecare canal radio cu microunde, cu până la zece canale radio combinate într-o singură antenă pentru a ajunge la următorul nod la 70 km distanță.
Protocoalele LAN fără fir , cum ar fi Bluetooth și specificațiile 802.11 utilizate pentru Wi-Fi, folosesc, de asemenea, microunde în banda ISM de 2,4 GHz, deși 802.11a utilizează banda ISM și frecvențele U-NII în banda de 5 GHz. Gama licențiată (până la aproximativ 25 km) pentru serviciile de acces la internet wireless au fost utilizate de aproape zece ani în multe țări la 3,5-4,0 GHz. FCC a alocat frecvențe pentru transportatorii care doresc să ofere servicii pe această bandă în SUA, cu accent pe 3,65 GHz. Zeci de furnizori de servicii din întreaga țară sunt sau au fost autorizați de FCC pentru a opera această bandă. Serviciile WIMAX propuse, care pot fi implementate pe 3,65 GHz, vor oferi clienților de afaceri o altă opțiune de conectivitate.
Protocoalele Metropolitan Area Network (MAN), precum WiMAX , se bazează pe standarde precum IEEE 802.16 , concepute pentru a funcționa de la 2 la 11 GHz. Implementările comerciale sunt în benzile de 2,3 GHz, 2,5 GHz, 3,5 GHz și 5,8 GHz.
Protocoalele Mobile Broadband Wireless Access (MBWA) bazate pe specificații standard, cum ar fi IEEE 802.20 sau ATIS/ANSI HC-SDMA (de exemplu, iBurst ) funcționează în banda de 1,6 până la 2,3 GHz pentru a furniza emisii de caracteristici de mobilitate și penetrare în clădiri, similare telefoanelor mobile, dar cu eficienţă spectrală mult mai mare [13] .
Unele rețele mobile , cum ar fi GSM , utilizează frecvențe VHF joase/UHF înalte, în jur de 1,8 și 1,9 GHz în SUA și, respectiv, în alte țări. DVB-SH și S-DMB folosesc banda de la 1,452 până la 1,492 GHz, în timp ce SUA utilizează radio prin satelit proprietar sau neconform, în jur de 2,3 GHz pentru DARS .
Radioul cu microunde este folosit în radiodifuziune și telecomunicații , deoarece, datorită lungimii lor de undă scurte, antenele cu direcție foarte mare sunt mai mici și, prin urmare, mai practice decât ar fi la lungimi de undă mai mari (frecvențe mai joase). În plus, în spectrul de microunde este disponibilă o lățime de bandă mai mare decât în restul spectrului radio; lățimea de bandă utilă sub 300 MHz este mai mică de 300 MHz, în timp ce mulți GHz pot folosi o lățime de bandă mai mare de 300 MHz. Microundele sunt utilizate în mod obișnuit în știrile de televiziune pentru a transmite un semnal dintr-o locație îndepărtată către un post de televiziune de la o dubă special echipată.
Majoritatea sistemelor de comunicații prin satelit funcționează în benzile C, X, Ka sau K u ale spectrului de microunde . Aceste frecvențe oferă o lățime de bandă largă, evitând în același timp frecvențele UHF aglomerate și rămânând sub frecvențele EHF unde absorbția atmosferică este puternică. Televiziunea prin satelit operează fie în banda C pentru serviciul tradițional de televiziune fixă prin satelit , fie în banda K pentru transmisie directă prin satelit . Comunicațiile militare sunt în primul rând legături X sau Ku , banda K fiind folosită pentru Milstar .
Sistemele globale de navigație prin satelit (GNSS), inclusiv Beidou din China , sistemul american de poziționare globală (introdus în 1978) și sistemul rusesc GLONASS , transmit semnale de navigație în diferite benzi între aproximativ 1,2 GHz și 1,6 GHz.
Radarul este un dispozitiv radar care utilizează un fascicul de unde radio emis de un transmițător și măsoară semnalul reflectat de la un obiect, permițându-vă să determinați locația, raza de acțiune, viteza și alte caracteristici ale obiectului. Lungimea de undă scurtă a microundelor provoacă reflexii puternice de la obiecte de dimensiunea mașinilor, navelor și avioanelor. De asemenea, la aceste lungimi de undă, antenele cu câștig mare, cum ar fi antenele parabolice , care sunt necesare pentru a obține fasciculul îngust necesar pentru poziționarea precisă a obiectelor, sunt de dimensiuni mici, permițându-le să fie rotite rapid pentru a scana obiecte. Prin urmare, frecvențele microundelor sunt principalele frecvențe utilizate în radare. Radarul cu microunde este utilizat pe scară largă în aplicații precum controlul traficului aerian , prognoza meteo, navigația navelor și aplicarea limitelor de viteză. Radarele cu rază lungă de acțiune folosesc frecvențe mai mici de microunde, deoarece la capătul superior al intervalului, absorbția atmosferică limitează raza de acțiune, dar undele milimetrice sunt utilizate pentru radarele cu rază scurtă de acțiune, cum ar fi sistemele de evitare a coliziunilor .
Microunde emise de surse radio astronomice ; precum planetele, stelele, galaxiile și nebuloasele sunt studiate în radioastronomie folosind antene parabole mari numite radiotelescoape . Pe lângă primirea radiațiilor naturale cu microunde, radiotelescoapele au fost folosite în experimente cu radar activ, pentru experimente cu reflexia microundelor de pe planetele sistemului solar, unde erau determinate distanțele până la Lună sau suprafața invizibilă a lui Venus a fost cartografiată prin nor . acoperi.
Radiotelescopul cu microunde recent finalizat, Atacama Large Millimeter Array, situat la o altitudine de peste 5.000 de metri în Chile, explorează universul în lungimi de undă milimetrică și submilimetrică . Astăzi este cel mai mare proiect din lume în domeniul astronomiei terestre. Este format din peste 66 de chimvale și a fost construit cu cooperare internațională din Europa, America de Nord, Asia de Est și Chile [14] [15] .
Principalul obiectiv al radioastronomiei cu microunde în ultima vreme a fost maparea radiației cosmice de fond cu microunde (CMBR), descoperită în 1964 de radioastronomii Arno Penzias și Robert Wilson . Această radiație slabă de fond, care umple universul și este aproape aceeași în toate direcțiile, este „radiația cosmică de fond cu microunde” rămasă de la Big Bang și este una dintre puținele surse de informații despre condițiile din universul timpuriu. Datorită expansiunii și, prin urmare, răcirii universului, radiația originală de înaltă energie s-a mutat în regiunea de microunde a spectrului radio. Radiotelescoapele suficient de sensibile pot detecta CMB ca un semnal slab care nu este asociat cu nicio stea, galaxie sau orice alt obiect [16] .
Un cuptor cu microunde transmite radiații cu microunde la o frecvență de aproximativ 2,45 GHz prin alimente, provocând încălzire dielectrică în primul rând datorită absorbției de energie de către moleculele de apă. Cuptoarele cu microunde au devenit echipamente obișnuite de bucătărie în țările occidentale la sfârșitul anilor 1970, în urma dezvoltării magnetronilor cu rezonanță mai puțin costisitoare . Apa lichidă are multe interacțiuni moleculare care măresc vârful de absorbție. În faza de vapori, moleculele izolate de apă absorb radiația în jur de 22 GHz, care este de aproape zece ori mai mare decât frecvența unui cuptor cu microunde.
Radiația cu microunde este utilizată în procesele industriale pentru uscarea și întărirea produselor.
Multe tehnologii de procesare a semiconductoarelor folosesc microunde pentru a genera plasmă pentru aplicații precum gravarea ionilor reactivi și depunerea chimică în vapori (PECVD).
Microundele sunt folosite în stellaratoare și reactoare experimentale de fuziune tokamak pentru a transforma gazul în plasmă și a-l încălzi la temperaturi foarte ridicate. Frecvența este reglată la rezonanța ciclotronică a electronilor într-un câmp magnetic, undeva între 2-200 GHz, motiv pentru care este adesea denumită încălzire prin rezonanță cu ciclotron electronic (ECHR). Reactorul de fuziune ITER aflat în construcție [17] va folosi emițători de 170 GHz cu o putere de până la 20 MW.
Microundele pot fi folosite pentru a transmite puterea pe distanțe lungi, iar după al Doilea Război Mondial s-au făcut cercetări pentru a explora această posibilitate. În anii 1970 și începutul anilor 1980, NASA a lucrat pentru a investiga posibilitățile de utilizare a sistemelor de satelit alimentate cu energie solară (SPS) cu rețele solare mari , care ar transmite energie la suprafața Pământului folosind microunde.
Există o armă mai puțin letală care folosește unde milimetrice pentru a încălzi un strat subțire de piele umană la o temperatură insuportabilă pentru a forța persoana să plece. O explozie de două secunde a unui fascicul focalizat la o frecvență de 95 GHz încălzește pielea la o temperatură de 54 ° C la o adâncime de 0,4 mm. Forțele Aeriene și Corpul Marin din SUA utilizează în prezent acest tip de sistem activ de respingere în instalații fixe [18] .
Radiația cu microunde este utilizată în spectroscopia de rezonanță paramagnetică electronică (EPR sau EPR), de obicei în regiunea benzii X (aproximativ 9 GHz) în combinație cu câmpuri magnetice de 0,3 T. Această metodă oferă informații despre electronii neperechi din compușii chimici, cum ar fi radicalii liberi sau ionii de metal tranzițional, cum ar fi Cu(II). Radiația cu microunde este, de asemenea, utilizată pentru spectroscopia rotațională și poate fi combinată cu electrochimia pentru electrochimia îmbunătățită cu microunde.
Benzile de frecvență din spectrul de microunde sunt indicate prin litere. Cu toate acestea, există mai multe sisteme de desemnare a benzilor incompatibile și chiar și în cadrul sistemului benzile de frecvență corespunzătoare unor litere diferă oarecum între diferite aplicații [19] [20] . Sistemul de litere a apărut în timpul celui de-al Doilea Război Mondial într-o clasificare americană top-secretă a benzilor utilizate în instalațiile radar; aceasta este sursa celui mai vechi sistem de litere, benzile radar IEEE. Un set de benzi de microunde desemnate de Societatea Radio din Marea Britanie (RSGB) este prezentat în tabelul de mai jos:
| Desemnare | gama de frecvente | Gama de lungimi de unda | Utilizare tipică |
|---|---|---|---|
| grupa L | 1-2 GHz | 15-30 cm | Telemetrie militară, GPS, telefoane mobile (GSM), radio amatori |
| Grupa S | 2-4 GHz | 7,5-15 cm | Radar meteorologic, radar pentru nave de suprafață, unii sateliți de comunicații, cuptoare cu microunde, dispozitive/comunicații cu microunde, radioastronomie, telefoane mobile, LAN fără fir, Bluetooth, ZigBee, GPS, radio amatori |
| Grupa C | 4-8 GHz | 3,75-7,5 cm | Radio pe distanțe lungi |
| Grupa X | 8-12 GHz | 25-37,5 mm | Comunicații prin satelit, radar, bandă largă terestră, comunicații spațiale, radio amatori, spectroscopie rotațională moleculară |
| Grupa K U | 12-18 GHz | 16,7-25 mm | Comunicații prin satelit, spectroscopie de rotație moleculară |
| Grupa K | 18-26,5 GHz | 11,3-16,7 mm | Radar, comunicații prin satelit, observații astronomice, radar auto, spectroscopie de rotație moleculară |
| Grupa K | 26,5-40 GHz | 5,0 - 11,3 mm | Comunicații prin satelit, spectroscopie de rotație moleculară |
| Gama Q | 33-50 GHz | 6,0-9,0 mm | Comunicații prin satelit, comunicații terestre cu microunde, radioastronomie, radar auto, spectroscopie de rotație moleculară |
| Grupa U | 40-60 GHz | 5,0-7,5 mm | |
| Grupa V | 50-75 GHz | 4,0-6,0 mm | Cercetare radar în intervalul milimetric, spectroscopie rotațională a moleculelor și alte tipuri de cercetare științifică |
| Grupa W | 75-110 GHz | 2,7-4,0 mm | Comunicații prin satelit, cercetare radar cu unde milimetrice, sisteme de ghidare și urmărire a radarelor militare și unele aplicații non-militare, radar auto |
| Grupa F | 90-140 GHz | 2,1-3,3 mm | Transmisii cu microunde: radioastronomie, dispozitive/comunicații cu microunde, LAN fără fir, radare de ultimă generație, sateliți de comunicații, transmisie de televiziune prin satelit, DBS , radio amator. |
| Grupa D | 110-170 GHz | 1,8-2,7 mm | Transmisii EHF: radioastronomie, releu radio cu microunde de înaltă frecvență, teledetecție cu microunde, radio amatori, arme cu energie dirijată, scaner cu unde milimetrice. |
Există și alte definiții [21] .
Pentru frecvențele UHF sub banda L, termenul bandă P este uneori folosit, dar acum este învechit conform standardului IEEE 521.
Când radarele în bandă K au fost dezvoltate pentru prima dată în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, nu se știa că există o bandă de absorbție adiacentă (datorită vaporilor de apă și oxigenului din atmosferă). Pentru a evita această problemă, banda K originală a fost împărțită în benzi K u inferioare și K a superioare [22] .
Frecvența microundelor poate fi măsurată electronic sau mecanic.
Puteți utiliza contoare de frecvență sau oscilatoare locale de înaltă frecvență . Aici frecvența necunoscută este comparată cu armonicile de o frecvență inferioară cunoscută folosind un oscilator de joasă frecvență, un generator de armonice și un mixer. Precizia măsurării este limitată de acuratețea și stabilitatea sursei de referință.
Metodele mecanice necesită un rezonator reglat, cum ar fi un contor de absorbție a undelor , în care relația dintre dimensiunea fizică și frecvența este cunoscută.
În laborator, liniile Lecher pot fi folosite pentru a măsura direct lungimea de undă pe o linie de transmisie cu fir paralel, după care se poate determina frecvența. O metodă similară este utilizarea unui ghid de undă cu fante sau a unei linii coaxiale cu fante pentru a măsura direct lungimea de undă. Aceste dispozitive constau dintr-o sondă introdusă în linie printr-o fantă longitudinală, astfel încât sonda să se poată mișca liber în sus și în jos pe linie. Liniile cu fante sunt destinate în primul rând pentru măsurarea raportului undelor staţionare din tensiunea liniei . Cu toate acestea, în prezența unei unde staționare, acestea pot fi utilizate și pentru a măsura distanța dintre noduri , care este egală cu jumătate din lungimea de undă. Precizia acestei metode este limitată de locația nodurilor.
Microundele sunt radiații neionizante , ceea ce înseamnă că fotonii cu microunde nu conțin suficientă energie pentru a ioniza molecule sau pentru a rupe legăturile chimice sau pentru a deteriora ADN-ul, spre deosebire de radiațiile ionizante precum razele X sau radiațiile ultraviolete [23] . Cuvântul „radiație” se referă la energia care emană dintr-o sursă, nu la radioactivitate . Principalul efect al absorbției cu microunde este încălzirea materialelor; câmpurile electromagnetice fac ca moleculele polare să vibreze sau să se rotească. Microundele (sau alte radiații electromagnetice neionizante ) nu sunt cunoscute ca având efecte biologice adverse semnificative la intensități scăzute. Unele studii, dar nu toate, arată că expunerea pe termen lung poate avea un efect cancerigen [24] .
În timpul celui de-al Doilea Război Mondial , s-a observat că oamenii aflați în calea radiațiilor de la instalațiile radar au auzit clicuri și sunete de bâzâit ca urmare a expunerii la radiațiile cu microunde. Cercetările NASA din anii 1970 au arătat că aceasta a fost cauzată de expansiunea termică a unor părți ale urechii interne. În 1955, dr. James Lovelock a reușit să resusciteze șobolani răciți la 0-1°C folosind diatermia cu microunde [25] .
Atunci când rănirea apare din cauza expunerii la cuptorul cu microunde, aceasta apare de obicei ca urmare a încălzirii dielectrice a corpului. Expunerea la radiațiile cu microunde poate provoca cataractă prin acest mecanism [26] deoarece încălzirea cu microunde denaturează proteinele din cristalinul ochiului (la fel cum căldura face opac albușul de ou). Cristalinul și corneea ochiului sunt deosebit de vulnerabile, deoarece le lipsesc vase de sânge care pot transporta căldura. Expunerea la doze mari de radiații cu microunde (de exemplu, de la un cuptor care a fost manipulat pentru a permite funcționarea chiar și cu ușa deschisă) poate provoca daune termice și altor țesuturi, până la arsuri grave , care pot să nu fie imediat evidente din cauza la tendinţa microundelor de a încălzi ţesuturile mai adânci.ţesături cu un conţinut de umiditate mai mare.
Eleanor R. Adair a efectuat un studiu asupra sănătății ei, a animalelor și a altor persoane expuse la cuptorul cu microunde, din care s-au simțit cald sau chiar au început să transpire și să se simtă destul de incomozi. Ea nu a găsit efecte adverse asupra sănătății, în afară de căldură.
Microundele au fost create pentru prima dată în anii 1890 în unele dintre cele mai vechi experimente radio de către fizicieni care le considerau o formă de „lumină invizibilă” [27] . James Clerk Maxwell , în teoria sa din 1873 a electromagnetismului , care se bazează pe ecuațiile lui Maxwell , a prezis că câmpurile electrice și magnetice alternative ar putea călători prin spațiu ca unde electromagnetice și a sugerat că lumina este compusă din unde electromagnetice cu lungime de undă scurtă. În 1888, fizicianul german Heinrich Hertz a fost primul care a demonstrat existența undelor radio folosind un emițător radio primitiv cu eclator [28] . Hertz și alți cercetători radio timpurii au fost interesați să studieze asemănările dintre undele radio și undele luminoase pentru a testa teoria lui Maxwell. Ei s-au concentrat pe crearea undelor radio cu unde scurte în benzile UHF și de microunde, cu care au putut duplica experimentele optice clasice în laboratoarele lor, folosind componente cvasi -optice precum parafină , sulf și prisme și lentile cu pas și rețele de sârmă pentru refracție și împrăștiere. unda radio., ca razele de lumină [29] . Hertz a creat unde de până la 450 MHz; Emițătorul său direcțional de 450 MHz era alcătuit dintr-o antenă dipol cu tijă de alamă de 26 cm cu un eclator între capete, suspendată de linia focală a unei antene parabolice , realizată din tablă de zinc îndoită, alimentată de impulsuri de înaltă tensiune de la o bobină de inducție . Experimentele sale istorice au demonstrat că undele radio, cum ar fi lumina, prezintă refracție , difracție , polarizare , interferență și unde staționare , demonstrând legătura dintre undele radio și undele luminoase, care sunt formele de unde electromagnetice ale lui Maxwell .
Transmițătorul de scântei de 450 MHz al lui Heinrich Hertz , 1888, a constat dintr-un dipol de 23 cm și un efer de scânteie la focarul unui reflector parabolic.
Jagadish Chandra Bose în 1894 a fost prima persoană care a creat unde milimetrice; generatorul său de scântei (în caseta din dreapta) a generat unde de 60 GHz (5 mm) folosind un rezonator cu bilă metalică cu diametrul de 3 mm.
Un experiment de spectroscopie cu microunde realizat de John Ambrose Fleming în 1897 a arătat refracția microundelor de 1,4 GHz pe o prismă de parafină, duplicând experimentele anterioare ale lui Bose și Righe.
Augusto Righi generator și receptor de scântei de 12 GHz, 1895
Începând cu 1894, fizicianul indian Jagdish Chandra Bose a efectuat primele experimente cu microunde. El a fost prima persoană care a creat unde milimetrice , generând frecvențe de până la 60 GHz (5 milimetri) folosind un generator de scântei cu o bilă de metal de 3 mm [30] [29] . Bose a inventat, de asemenea, ghidul de undă , antenele corn și detectoarele cu cristale semiconductoare pentru a fi utilizate în experimentele sale. În mod independent, în 1894, Oliver Lodge și Augusto Righi au experimentat cu microunde de 1,5 și, respectiv, 12 GHz, generate de rezonatoare cu scânteie cu bile de metal mici. Fizicianul rus Pyotr Lebedev a creat unde milimetrice de 50 GHz în 1895. În 1897, Lord Rayleigh a rezolvat problema matematică a limitelor undelor electromagnetice care se propagă prin tuburi conductoare și tije dielectrice de formă arbitrară [31] [32] [33] [34] , în care a indicat modurile de tăiere și frecvența pentru microundele care se propagă printr-un ghid de undă [28 ] .
Cu toate acestea, deoarece propagarea cu microunde este limitată la linia de vedere, acestea nu au putut fi utilizate dincolo de orizontul vizibil, iar puterea scăzută a emițătoarelor de scânteie utilizate atunci a limitat raza lor practică la câteva mile. Dezvoltarea ulterioară a comunicațiilor radio după 1896 a folosit frecvențe inferioare, care s-ar putea propaga dincolo de orizont sub formă de unde de suprafață și se putea reflecta din ionosferă ca unde cerului, frecvențele microundelor nu au fost studiate mai detaliat la acel moment.
Aplicarea practică a frecvențelor cu microunde nu a avut loc decât în anii 1940 și 1950 din cauza lipsei surselor adecvate, întrucât oscilatorul electronic cu tub (tub) triodă vacuum folosit la emițătoarele radio nu putea genera frecvențe peste câteva sute de megaherți din cauza timpului excesiv. .trecerea electronilor si capacitatea interelectrodului [28] . În anii 1930, au fost dezvoltate primele tuburi de vid cu microunde de putere redusă, funcționând pe noi principii; Tub Barkhausen-Kurtz și magnetron cu anod detașabil . Ele puteau genera câțiva wați de putere la frecvențe de până la câțiva gigaherți și au fost utilizate în experimentele timpurii de comunicații cu microunde.
Antene din 1931 pentru experimente privind comunicațiile prin releu radio pe Canalul Mânecii la o frecvență de 1,7 GHz.
Un transmițător experimental de 700 MHz la Westinghouse Laboratories în 1932 transmite voce pe o distanță de peste o milă.
Southworth demonstrând un ghid de undă la o reuniune a Institutului de Ingineri Radio din 1938, arătând unde de 1,5 GHz care trec printr-un furtun metalic flexibil de 7,5 m lungime detectat de un detector cu diodă.
Prima antenă modernă cu corn în 1938 de către inventatorul Wilmer L. Barrow
În 1931, un consorțiu anglo-francez condus de André Clavier a demonstrat prima legătură experimentală de releu cu microunde peste Canalul Mânecii pe 64 km între Dover și Calais [35] [36] . Sistemul a transmis date de telefon, telegraf și fax pe un canal bidirecțional de 1,7 GHz cu o putere de aproximativ jumătate de watt, creat de tuburi Barkhausen-Kurtz în miniatură în centrul unei antene metalice de 3 metri.
A trebuit inventat un cuvânt pentru a distinge aceste noi lungimi de undă mai scurte, care anterior fuseseră grupate în domeniul „ unde scurte ”, ceea ce însemna toate undele mai scurte de 200 m. Termenii unde cvasi-optice și unde ultrascurte au fost folosiți pentru o perioadă de timp. , dar nu s-a răspândit. Prima utilizare a cuvântului microunde pare să fi avut loc în 1931 [37] .
Dezvoltarea radarului , în mare parte secret, înainte și în timpul celui de-al Doilea Război Mondial , a condus la progrese tehnologice care au făcut microundele practice [28] . Au fost necesare lungimi de undă în intervalul de centimetri, astfel încât antenele radar mici, care erau suficient de compacte pentru a se potrivi pe aeronave, să aibă o lățime a fasciculului suficient de îngustă pentru a localiza aeronavele inamice. Liniile de transmisie convenționale , utilizate pentru transmiterea undelor radio, s-au dovedit a avea pierderi excesive de putere la frecvențele de microunde, iar George Southworth de la Bell Labs și Wilmer Barrow de la MIT au inventat independent ghidul de undă în 1936 [31] . Barrow a inventat antena cu corn în 1938 ca un mijloc de a radia eficient microunde în sau în afara unui ghid de undă. Un receptor cu microunde avea nevoie de o componentă neliniară pentru a acționa ca detector și mixer la aceste frecvențe, deoarece tuburile de vid aveau o capacitate prea mare. Pentru a satisface această cerință, cercetătorii au reînviat o tehnologie învechită, detectorul de cristal punct (detectorul de mustață de pisică), care a fost folosit ca demodulator în receptoarele radio cu cristal la începutul secolului înainte de apariția receptorilor cu tub [38] . Capacitatea scăzută a joncțiunilor semiconductoare le-a permis să funcționeze la frecvențe ultraînalte. Primele diode moderne de siliciu și germaniu au fost dezvoltate ca detectoare cu microunde în anii 1930, iar principiile fizicii semiconductoarelor descoperite în timpul dezvoltării semiconductoarelor au condus la electronica semiconductoare după război.
Prototip de tub magnetron rezonator de Randall și Booth la Universitatea din Birmingham , 1940. În timpul utilizării, tubul a fost instalat între polii unui electromagnet.
Primul tub klystron comercial al General Electric, 1940, tăiat pentru a arăta construcția interioară
AN/ APS-4 este un radar de interceptare aeropurtat de 10 GHz utilizat de avioanele americane și britanice în timpul celui de-al Doilea Război Mondial.
Stația mobilă de releu cu microunde a armatei SUA, 1945, care demonstrează sisteme de releu care utilizează frecvențe de la 01 la 4,9 GHz, care pot transporta până la 8 apeluri telefonice pe fascicul.
Primele surse puternice de radiații cu microunde au fost inventate la începutul celui de-al Doilea Război Mondial: klystronul de Russell și Sigurd Varian de la Universitatea Stanford în 1937 și magnetronul de John Randall și Harry Booth de la Universitatea din Birmingham, Marea Britanie în 1940 [28]. ] . Radarul cu microunde de zece centimetri (3 GHz) a fost folosit pe aeronavele militare britanice la sfârșitul anului 1941 și s-a dovedit a fi un schimbător de jocuri. Decizia Marii Britanii din 1940 de a-și împărtăși tehnologia cu microunde cu aliatul său american ( Misiunea Tizard ) a scurtat războiul considerabil. Laboratorul de radiații al MIT , înființat în secret la MIT în 1940 pentru a cerceta radarul, a furnizat o mare parte din cunoștințele teoretice necesare pentru utilizarea microundelor. Primele sisteme de releu cu microunde au fost dezvoltate de forțele aliate spre sfârșitul războiului și au fost folosite pentru rețelele de comunicații securizate pe câmpul de luptă din teatrul de operațiuni european.
După al Doilea Război Mondial, cuptorul cu microunde a devenit utilizat pe scară largă în scopuri comerciale [28] . Datorită frecvenței lor înalte, emițătoarele bazate pe acestea au o lățime de bandă ( lățime de bandă ) foarte mare de informații; un fascicul cu microunde poate transmite zeci de mii de apeluri telefonice. În anii 1950 și 1960, în Statele Unite și Europa au fost construite rețele transcontinentale de releu cu microunde pentru a schimba apeluri telefonice între orașe și a distribui programe de televiziune. În noua industrie de televiziune , începând cu anii 1940, vasele cu microunde au fost folosite pentru a transmite canalele de transport ale canalelor video de la posturile mobile de televiziune înapoi la studio, permițând transmisiile de televiziune la distanță. Primii sateliți de comunicații au fost lansați în anii 1960, care transmiteau apeluri telefonice și televiziune între puncte îndepărtate de pe Pământ folosind fascicule de microunde. În 1964 , Arno Penzias și Robert Woodrow Wilson , în timp ce investigau zgomotul dintr-o antenă de corn de satelit la Bell Labs , Holmdel, New Jersey, au descoperit radiația cosmică de fond cu microunde .
Radarul cu microunde a devenit o tehnologie centrală folosită în controlul traficului aerian , navigația maritimă , apărarea aeriană , detectarea rachetelor balistice și mai târziu în multe alte domenii. Comunicațiile prin radar și prin satelit au stimulat dezvoltarea antenelor moderne cu microunde; antenă parabolică (cel mai comun tip), antenă Cassegrain , antenă cu lentilă , antenă cu slot și antenă în faze .
Capacitatea undelor scurte de a încălzi rapid materialele și de a găti alimente a fost studiată în anii 1930 de I.F. Muromtsev la Westinghouse, iar la Expoziția Mondială de la Chicago din 1933 a demonstrat gătitul folosind un transmițător radio de 60 MHz [39] . În 1945, Percy Spencer , un inginer care lucra la radar la Raytheon , a observat că radiația cu microunde de la un generator de magnetron i-a topit o bomboană în buzunar. El a cercetat gătitul cu microunde și a inventat cuptorul cu microunde , constând dintr-un magnetron care emite microunde într-o cavitate metalică închisă care conține alimente, care a fost brevetat de Raytheon pe 8 octombrie 1945. Datorită costului lor, cuptoarele cu microunde au fost folosite inițial în bucătăriile instituționale, dar până în 1986 aproximativ 25% din gospodăriile din SUA aveau unul. Încălzirea cu microunde a devenit utilizată pe scară largă ca proces industrial în industrii precum industria materialelor plastice și ca agent terapeutic pentru a ucide celulele canceroase în hipertermia cu microunde .
Tubul cu undă călătorie (TWT), dezvoltat în 1943 de Rudolf Kompfner și John Pearce , a furnizat o sursă puternică și reglabilă de microunde de până la 50 GHz și a devenit cel mai utilizat tub cu microunde, în afară de magnetronul omniprezent în cuptoarele cu microunde. O familie de tuburi girotron dezvoltate în Uniunea Sovietică poate genera microunde cu putere de megawați până la frecvențe milimetrice și este utilizată în încălzirea industrială și cercetarea cu plasmă și pentru a alimenta acceleratoare de particule și reactoare de fuziune nucleară .
Evoluțiile în electronica semiconductoare în anii 1950 au condus la primele dispozitive cu microunde în stare solidă care funcționau pe noul principiu; rezistență diferențială negativă (unele dintre tuburile cu microunde dinainte de război foloseau și rezistență diferențială negativă) [28] . Oscilatorul de feedback și amplificatoarele cu două porturi care au fost utilizate la frecvențe mai mici au devenit instabile la frecvențele de microunde, iar oscilatorii și amplificatoarele bazate pe rezistență diferențială negativă bazate pe dispozitive cu un singur port, cum ar fi diodele , au funcționat mai bine.
Dioda tunel , inventată în 1957 de fizicianul japonez Leo Esaki , ar putea genera câțiva miliwați de putere a microundelor. Invenția sa a inițiat căutarea dispozitivelor semiconductoare cu rezistență diferențială negativă pentru utilizare ca oscilatoare cu microunde, ceea ce a condus la inventarea diodei de avalanșă în 1956 de către W. T. Reed și Ralph L. Johnston și a diodei Gunn în 1962 de către J. B. Gunn [ 28] . Diodele sunt cele mai utilizate surse de microunde astăzi. Au fost dezvoltate două amplificatoare cu microunde cu semiconductori cu zgomot redus, cu rezistență diferențială negativă; ruby maser , inventat în 1953 de Charles H. Townes , James P. Gordon și H. J. Zeiger, și amplificatorul parametric varactor , dezvoltat în 1956 de Marion Hines. Ele au fost utilizate pentru receptoare cu microunde cu zgomot redus din radiotelescoape și stații terestre prin satelit . Mather a condus dezvoltarea ceasului atomic , care menține timpul folosind frecvența precisă a microundelor emisă de atomi ca tranziția unui electron între două niveluri de energie. Circuitele amplificatoare cu rezistență diferențială negativă au necesitat inventarea de noi componente de ghidare de undă non-reciproce , cum ar fi circulatoare , izolatoare și cuple direcționale . În 1969, Kurokawa a derivat condiții matematice pentru stabilitatea circuitelor cu rezistență diferențială negativă, care au stat la baza proiectării unui generator de microunde [40] .
Înainte de anii 1970, dispozitivele și circuitele cu microunde erau voluminoase și scumpe, astfel încât frecvențele microundelor erau de obicei limitate la stadiul de ieșire al emițătorilor și la intrarea RF a receptoarelor, iar semnalele erau heterodinate la o frecvență intermediară inferioară pentru procesare. Între anii 1970 și în prezent, au fost dezvoltate componente active cu microunde în stare solidă minuscule, cu costuri reduse, care pot fi montate pe plăci de circuite imprimate, permițând circuitelor să efectueze procesare semnificativă a semnalului la frecvențe ale microundelor. Acest lucru a făcut posibilă televiziunea prin satelit , televiziunea prin cablu , dispozitivele GPS și dispozitivele wireless moderne, cum ar fi smartphone -urile , Wi-Fi și Bluetooth , care se conectează la rețele folosind cuptoarele cu microunde.
Linia de transmisie cu microbandă , folosită la frecvențele de microunde, a fost inventată folosind circuite imprimate în anii 1950 [28] . Capacitatea de a produce o gamă largă de forme de PCB la prețuri reduse a permis proiectarea versiunilor microstrip ale condensatoarelor , inductoarelor , stuburilor rezonante, cuplelor , cuplelor direcționale , diplexoarelor , filtrelor și antenelor, permițând proiectarea de circuite compacte cu microunde.
Tranzistoarele care funcționează la frecvențe de microunde au fost dezvoltate în anii 1970. Semiconductorul arseniura de galiu (GaAs) are o mobilitate a electronilor mult mai mare decât siliciul [28] , astfel încât dispozitivele realizate din acest material pot funcționa la frecvențe de până la 4 ori mai mari decât dispozitivele similare fabricate din siliciu. Începând cu anii 1970, GaAs a fost folosit pentru a face primele tranzistoare cu microunde și, de atunci, a dominat semiconductorii cu microunde. MESFET-urile ( tranzistoare cu efect de câmp metal-semiconductor ), FET-uri bazate pe GaAs de înaltă frecvență care utilizează joncțiuni de poartă Schottky au fost dezvoltate din 1968 și au atins o frecvență de tăiere de 100 GHz și sunt în prezent cele mai utilizate dispozitive active cu microunde. O altă familie de tranzistori cu o limită de frecvență mai mare este HEMT ( High Electron Mobility Transistor ), un FET format din doi semiconductori diferite, AlGaAs și GaAs, folosind tehnologia heterojoncției și similar cu HBT (Hetero Junction Bipolar Transistor ).
GaAs poate fi semi-izolant, ceea ce îi permite să fie folosit ca substrat , pe care pot fi fabricate prin litografie circuite electronice care conțin componente pasive , precum și tranzistoare [28] . Până în 1976, acest lucru a condus la primele circuite integrate (IC) care funcționau la frecvențe de microunde, numite circuite integrate monolitice microwon (MMIC). Cuvântul „monolitic” a fost adăugat pentru a le distinge de plăcile de circuite imprimate cu microbenzi, care au fost numite „circuite integrate cu microunde” (MIC). De atunci, au fost dezvoltate și MMIC-uri de siliciu. Astăzi, MMIC-urile au devenit calii de lucru atât pentru electronicele analogice, cât și pentru cele digitale de înaltă frecvență, permițând fabricarea de receptoare cu microunde cu un singur cip, amplificatoare de bandă largă , modemuri și microprocesoare .
| spectru electromagnetic | |
|---|---|
| Spectrul vizibil | |
| Cuptor cu microunde | |
| unde radio | |
| lungimi de undă | |